Природа силы трения качения

Трение качения. прив всем мозгам. вопрос такой — оъясните природу ТРЕНИЯ ПРИ КАЧЕНИИ.^_^

Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.
сила трения качения — сила, связанная с «потерями» энергии, т. е. с переходом механической энергии в тепловую. Поэтому тело, катящееся без скольжения, постепенно останавливается. В этом случае сила трения качения зависит от свойств материала тела и плоскости. Трение качения обусловлено взаимной деформацией тел, которая при качении без скольжения является неупругой и поэтому несимметрична относительно катящегося тела.
Коэффициент трения качения имеет размерность длины, в отличие от безразмерного коэффициента трения скольжения.

в подшипниках шарики крутятся в обойме и между ними происходит это трение (железом об железо ).но оно очень маленькое

Происходит в основном из-за деформации основы, в следствии чего следующее положение оказывается выше, и на подъем необходима затрата энергии. Вот суть, в случае отсутствия иных взаимодействий между поверхностями.

Когда колесо катится по горизонтальной
поверхности, оно слегка продавливает
поверхность, и это требует расхода
энергии. Кроме того, возникает сцепление
между частицами колеса и дороги, и на
разрывание этих связей также тратится
энергия.
Но по сравнению с трением скольжения
трение качения обычно гораздо слабее.

Источник

Силы трения.

Силы трения возникают при относительном перемещении соприкасающихся тел или при движении тел в непрерывных средах (газа или жидкости). Различают силы сухого и вязкого трения. Сухое трение возникает между твёрдыми телами, вязкое – между телом и жидкостью или газом, а также между слоями жидкости или газа. Силы трения направлены вдоль поверхности соприкасающихся тел и противоположны скорости их относительного движения.

Сухое трение.

Сухое трение подразделяется на трение покоя, скольжения и качения.

Трение покоя.

Величина и направление силы трения покоя определяется направлением и величиной внешней силы. Сила трения покоя направлена против внешней силы и равна ей по величине. Предельная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления:

,

направлена против внешней силы. Здесь — коэффициент трения покоя, величина безразмерная, зависит от природы соприкасающихся тел, механического состояния поверхностей,…

Трение скольжения.

Сила трения скольжения направлена против скорости относительного движения трущихся тел, пропорциональна силе нормального давления

,

где — коэффициент трения скольжения, величина безразмерная, зависит от механического состояния трущихся поверхностей, их природы и примесей.

скольжения немного меньше .

При решении конкретных задач обычно не делают различия между и, считая их одинаковыми.

Сила трения скольжения слабо зависит от скорости относительного движения, поэтому этой зависимостью обычно пренебрегают. Силу трения скольжения можно представить в виде:

.

Трение качения.

Трение качения возникает при качении круглых тел по поверхности. Эксперименты показывают, что величина силы трения качения пропорциональна силе нормального давления, обратно пропорциональна радиусу круглого тела и направлена против качения:

,

здесь — коэффициент трения качения, , зависит от природы поверхности и катящегося тела.

Механизм трения качения связан с деформацией поверхности и катящегося тела и преодолением возникающих при этом барьеров. Для твёрдых тел трение качения, очевидно, равно нулю. Для реальных тел и поверхностей трение при качении всегда присутствует, но оно существенно меньше трения скольжения. Поэтому, где это возможно, скольжение пытаются заменить качением. Несмотря на такую выгоду природа не «додумалась» до этого. Изобретение колеса человеком – это величайшее открытие. В практических задачах трением качения обычно пренебрегают по сравнению с трением скольжения. Но есть задачи, в которых трением качения принципиально пренебречь нельзя (Какие это задачи? Подумайте).

Вязкое трение.

Вязкое трение возникает при движении тел в жидкостях и газах. Механизм вязкого трения связан с прилипанием жидкости к телу. Жидкость при этом увлекается телом, а тело теряет свой импульс. В неподвижной жидкости при этом поперёк движения тела возникает перепад скорости. Скорость жидкости у поверхности тела равна скорости тела и чем дальше от тела поперёк его движения, тем меньше скорость жидкости (см.рисунок).

Слой жидкости в пределах которого наблюдается перепад скорости обычно невелик и называется пограничным слоем (- толщина пограничного слоя).

Толщина пограничного слоя у поверхности тела будет определяться скоростью движения тела , вязкостью жидкости и её плотностью . Из соображений размерности:

~.

Пространственное изменение скорости характеризуется изменением величины скорости в направлении , приходившееся на единицу длины , который называется градиентом скорости. Между слоями жидкости возникает вязкое трение (слоистое течение жидкости называется ламинарным), которое пропорционально градиенту скорости:

(закон Ньютона для вязкого трения в случае ламинарного течения); — сила вязкого трения, приходящаяся на единицу поверхности между слоями жидкости; — коэффициент пропорциональности, отражающий свойство жидкости, называется вязкостью жидкости; численно равен при . Вязкость измеряется в : .

На тело при движении в жидкости будет действовать сила вязкого трения, которая, очевидно, будет зависеть от скорости его движения , его формы и размеров и вязкости жидкости :

,

где — зависит от геометрических размеров тела и вязкости жидкости.

В случае шара, геометрия которого однозначно определяется его радиусом , коэффициент . Из анализа размерности сила вязкого трения, действующая на движущийся шар в жидкости, пропорциональна следующему выражению, составленному из :

~.

Проверьте размерность правой части соотношения. Точный гидродинамический расчёт даёт для величины силы вязкого трения:

.

Это соотношение называется формулой Стокса. *Стокс Джордж Габриель(13.08 1819-1.021903) – английский физик и математик. Разработал в 1845 году теорию вязкости жидкости, теорию движения вязкой жидкости, вывел формулу силы вязкого трения, действующую на шар, движущийся поступательно в жидкости с небольшой скоростью (формула Стокса).*

Эту формулу в лабораторном практикуме мы будем использовать для экспериментального определения вязкости глицерина.

Источник

Сила трения качения

Силы трения возникают при непосредственном контакте поверхностей двух твердых тел. Различают силы трения — покоя, скольжения и качения. Когда тело не скользит по поверхности другого тела, а катится, то в этом случае сопротивление оказывает сила трения качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения. Разберемся с механизмом возникновения этой силы.

Катить легче, чем тащить

В повседневной жизни мы пользуемся преимуществами качения практически ежедневно:

• Тяжелые, крупногабаритные предметы можно легко переместить, подложив под них круглые катки или трубы. Например, чтобы передвигать по асфальту чугунную болванку массой в 1 тонну, нужно приложить силу в 200 кгс — на такое способны только могучие силачи. А на тележке катить эту же болванку сможет даже ребенок, ведь для этого нужна сила не более 10 кгс;
• Все транспортные средства, перемещающиеся по поверхности земли, используют колеса;
• Для облегчения подъема тяжелых предметов на высоту с давних времен применяется блок, имеющий форму колеса;
• Роликовые и шариковые подшипники качения применяются во всех устройствах, когда требуется добиться минимального трения во вращающихся деталях.

Конечно, изобретение колеса — это одно из самых выдающихся достижений человеческой цивилизации.

Итак, сила трения качения — это сила, возникающая при качении тела по поверхности без проскальзывания. Существенным моментом в этом определении является исключение проскальзывания, потому что при проскальзывании трение возрастает в десятки раз!

Почему возникает сила трения качения

Круглый предмет (диск, шар, цилиндр) при качении слегка вдавливается в поверхность, образуя “ямку и бугорок”. Получается так, катящееся тело собственным весом создает себе препятствие (бугорок), и преодолевает его как бы вкатываясь все время в гору. При этом само тело тоже немного деформируется.

Вторая причина – сила сцепления (адгезия), возникающая между поверхностями в момент контакта. Адгезия возникает в результате межмолекулярного взаимодействия.

Чем тверже поверхность, по которой катится тело, тем меньше будет “ямка” (вдавливание) и, значит, меньше сила трения качения. Сопротивление качению меньше, чем трение скольжения, потому что площадь контакта обычно очень мала, и поэтому нормальная сила, придавливающая тело к поверхности, тоже мала и недостаточна, чтобы предотвратить движение тела.

Для железнодорожного транспорта, где колеса и рельсы стальные, трение при качении во много раз меньше, чем у грузовых автомобильных шин. Если бы само тело и поверхность были абсолютно твердыми, то сила трения была бы рана нулю.

От чего зависит и чему равна сила трения качения

Если круглое тело, например, колесо радиусом R катится по поверхности, то для формулы силы трения качения F_t справедливо следующее выражение:

μ — коэффициент трения качения, м/Н.

Из формулы следует, что F_t растет с ростом массы тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса R. Это и понятно: чем больше колесо, тем меньшее значение имеют для него неровности поверхности (бугорки), по которой оно катится.

Коэффициент трения качения μ имеет размерность $[м/Н]$ в отличии от коэффициента трения скольжения k, который безразмерен.

Подшипники

Для снижения трения скольжения сначала была изобретена смазка, которая позволила добиться уменьшения трения в 8-10 раз. И только в конце ХIХ века возникла идея заменить в подшипнике трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляют шариковые и роликовые подшипники. При вращении колеса или вала двигателя шарики (или ролики) катятся по втулке (обойме для шариков), а вал или ось колеса — по шарикам. Таким способом удалось снизить трение в десятки раз.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что представляет собой сила трения качения. Рассмотрели два основных механизма, вызывающих эту силу. Согласно формуле (1) сила трения качения растет с ростом веса тела и уменьшается с увеличением радиуса колеса. Роликовые и шариковые подшипники качения находят свое применение в большинстве устройств, имеющих вращающиеся детали.

Источник